實驗二高溫超導(dǎo)體的臨界溫度和臨界電流的測量

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1、 實驗二 高溫超導(dǎo)體的臨界溫度和臨 界電 流的測量 “超導(dǎo)態(tài)”,該現(xiàn)象稱為 “超導(dǎo)電性”.又 如 現(xiàn) 在廣泛應(yīng)用的半導(dǎo)體,其基本特性的揭 示 是 4.20 4.22 4.24 4.26 4.28 和電阻 - 溫度關(guān)系的研究分不開的.而在 低 溫 測量中廣泛應(yīng)用的電阻溫度計,完全是 建 立 在對各種類型材料的電阻 - 溫度關(guān)系研究的基礎(chǔ)上的. 實驗?zāi)康? 1 . 掌握超導(dǎo)材料臨界溫度和臨界電流測試原理和方法. 2. 測量反映高溫超導(dǎo)體基本特性.

2、3. 利用電磁測量的基本手段來研究高溫超導(dǎo)體. 儀器和用具 低溫裝置(包括真空玻璃杜瓦和測試探頭) ,數(shù)字電壓表 2 臺(分別為 4 1 和5 1 2 2 位的數(shù)字電壓表) ,鉑電阻溫度計或銅 - 康銅溫差電偶,恒流源( 100mA,100Ω), 直流穩(wěn)壓電源與標(biāo)準(zhǔn)電阻( 10Ω、 1Ω),高溫超導(dǎo)樣品,銦絲,銀引線(或細漆 包線),液氮,直流放大器. 實驗原理 1 . 超導(dǎo)體的基本特性——零電阻 現(xiàn)象和 邁斯納效應(yīng) 超導(dǎo)材料有兩個不同于其他材料 的最基 本特性,即零電阻現(xiàn)象和完全抗磁性 (也稱

3、 0 邁斯納效應(yīng)).零電阻現(xiàn)象是指具有超導(dǎo)電性的材料,當(dāng)溫度下降時,其電阻隨溫 度下降發(fā)生緩慢的變化(一種是金屬性的材料,其電阻緩慢下降;一種是顯示半 導(dǎo)體性,其電阻緩慢升高) ,而當(dāng)?shù)竭_某一溫度時,其電阻在很窄的溫區(qū)內(nèi),從 Rn 急劇地變?yōu)榱?,超?dǎo)體呈現(xiàn)零電阻現(xiàn)象.為描述電阻陡降的突變過程,可以定義 如下幾個特征溫度:起始轉(zhuǎn)變溫度 T起始 是指電阻隨溫度的變化偏離線性的溫度; 臨界溫度 TC 是指電阻值下降到 Rn / 2 時所對應(yīng)的溫度,零電阻溫度 TR 0 為電阻剛

4、 降至零時對應(yīng)的溫度,而把電阻變化 1/10 到 9/10 所對應(yīng)的溫度間隔定義為轉(zhuǎn)變 寬度 T 式中 0 為真空磁導(dǎo)率, r 為介質(zhì)的相對磁導(dǎo)率, xm 為磁化率. 當(dāng)發(fā)生正常態(tài)到超 導(dǎo)態(tài)的轉(zhuǎn)變時, r 由 1 變到零,或者說磁化率由近于零變到 -1 ,從而使超導(dǎo)體內(nèi) 部 B=0.如果把超導(dǎo)體材料作成線圈的芯子, 則線圈自感 L 和介質(zhì)的磁導(dǎo)率的關(guān)系如下: 式中 n 為線圈單位長度的匝數(shù), V 為線圈的體積, 可見當(dāng)發(fā)生超導(dǎo)轉(zhuǎn)變時, 磁導(dǎo)率 r 發(fā)生變化,線圈的電感量也變化.利用超導(dǎo)轉(zhuǎn)變時,線圈電感量變化來測量臨界溫度的方法,稱

5、為電感法. 1 . 臨界電流 當(dāng)通過超導(dǎo)線的電流超過一定的數(shù)值后,超導(dǎo)態(tài)便被破壞,轉(zhuǎn)變?yōu)檎B(tài),該 電流 I c 稱為超導(dǎo)體的臨界電流. 當(dāng)電流超過 一 定 值后,所以能引起超導(dǎo)態(tài)到正常態(tài)的轉(zhuǎn)化, 其 根 本原因是由于電流所產(chǎn)生的磁場 (自場)超 過臨 界磁場引起的.各超導(dǎo)體臨界電流的大小,除和超導(dǎo)材料組成和結(jié)構(gòu)有關(guān)外,對 同一種超導(dǎo)材料而言,與其截面積的大小和形狀有關(guān). 2 . 測量方法及參考方案 [ 3] 所附分度值表. 如用銅 - 康銅溫差電偶, 則必須利用鉑電阻溫度計在所使用的

6、 溫區(qū)(即 77K~室溫)對銅 - 康 銅 溫 差電偶進行定標(biāo).通過樣品的 恒流源 在毫安量級. 直流放 大器Ⅰ 恒溫器 本實驗所用的高溫超導(dǎo)樣 直流放 記錄儀 大器Ⅰ 采用燒結(jié)工藝制備的多晶超導(dǎo) 直流放 大器Ⅱ 料,其結(jié)構(gòu)式為 Yba2 Cu3O7- δ , 冰點槽 直流放 大器Ⅱ δ為與超導(dǎo)樣品氧含量有關(guān)的 樣品的轉(zhuǎn)變溫度約為 92K 左 TC 裝置的示意圖 于該樣品無法用焊接法直接引出引線,四引線發(fā)的四根

7、引線是用銦絲將細銀絲粘壓在高溫超導(dǎo)樣品表面,然后再焊在接線片上.所有引線均由德銀管引出與德銀管上端的接線插座相連,并由接頭接到 2 測量電路. 若采用磁測量法測轉(zhuǎn)變溫度,可參閱 1 本實驗后所附參考文獻,自己組裝測量 和調(diào)試測量裝置.在科研工作中,由于 8 3 4 研究工作的需要,往往要根據(jù)或參考別 7 5 6 人的文獻,并根據(jù)自己所需解決的問題  電 流 品 是 塊 材 式 中 系數(shù), 右,由 和儀器設(shè)備

8、條件,加以適當(dāng)?shù)母倪M,實 1. 真空玻璃杜瓦; 2. 德銀管; 3. 外套筒; 4. 超導(dǎo)樣品; 5. 恒溫紫銅塊; 6. 液氮; 7. 鉑電阻溫度計; 8. 接線片 . 現(xiàn)測量,這也是科研能力的訓(xùn)練. 在以上測試中由于要用到低溫容器與液氮,使用中必須注意遵守下列安全規(guī) 則: 1 . 所有盛放在低溫液氮的容器都必須留有供蒸發(fā)氣體逸出的孔道,以免容器內(nèi)壓力過大引起事故. 2 . 液氮灌入玻璃杜瓦時,應(yīng)緩慢灌入,避免驟冷引起杜瓦的破裂.灌注液氮采用專用液氮灌注器. 3 . 實驗中注意不要讓液氮觸及裸露的皮

9、膚特別是眼睛,以免造成嚴(yán)重的凍傷. 4 . 使用液氮時, 室內(nèi)應(yīng)保持空氣通暢, 防止液氮的大量蒸發(fā)造成室內(nèi)缺氧. 因為氧含量低于 14%~15%,會引起人的昏厥. 實驗內(nèi)容 1. 高溫超導(dǎo)樣品的準(zhǔn)備 本實驗提供的高溫超導(dǎo)樣品,是用一般陶瓷燒結(jié)工藝制備的,先按照 1:2:3 的理想配比,將氧化釔、氧化銅和碳酸鋇的分析純粉末混合,然后經(jīng)過研磨、預(yù) 燒、壓片和燒結(jié)等工藝制成直徑為 12mm、厚度為 1mm的超導(dǎo)圓片,結(jié)構(gòu)式為 Yba2 Cu3O7- δ .經(jīng)切割后成為 2mm× 1mm截面的條形試樣.粘壓引線的方法如下:把

10、 從銦絲上切割下的銦粒新鮮面用削尖的竹簡壓貼在試樣的表面,銀引線的一端置 于壓貼好的新鮮銦面上,上端再用新鮮的銦粒面壓貼固定,這樣可形成良好的歐 姆接觸.可用萬用表檢查接點是否良好. 2. 用四引線法測量高溫超導(dǎo)樣品的臨界溫度, 求出幾個特征溫度. 根據(jù)提供的測試儀器和設(shè)備,決定測量方案和測試線路,選擇測量參數(shù)和操作步驟,完成測 量. 3. 測量所提供樣品的臨界電流,計算臨界電流密度. 4. 參閱參考文獻,用磁測量法測量臨界溫度, 同學(xué)也可根據(jù)邁斯納效應(yīng)的特點, 設(shè)計其他觀察研究邁斯納效應(yīng)的實驗方法. 參考文獻 [1] 章立源等.超導(dǎo)物理.北京:電子工業(yè)出版社, 1987.8 [2] 賈起民,鄭永令.電磁學(xué) 下冊.上海:復(fù)旦大學(xué)出版社, 1987.182 —— 190 [3] 戴樂山.溫度計量.北京 : 中國計量出版社, 1987.182 —— 190 [4] 呂斯驊,朱印康.近代物理實驗技術(shù).北京:高等教育出版社,1991.240 [5] 俞永勤等.頻率法在高溫超導(dǎo)體中的應(yīng)用.低溫與超導(dǎo),1989, 17( 4): 39—— 42

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